Химическая метрология


Химическая метрологияМетрология, — учение о мерах,— одна из тех немногих наук, для которой можно точно установить дату ее рождения.

Это произошло в 1789 году, когда только что учрежденное Национальное собрание Франции предложило создать единую систему мер и весов. В основу ее легли три единицы: длины — метр, массы — килограмм и единица времени — секунда.

Метрология строилась последовательно и планомерно с учетом всех позднейших достижений физической науки.

Вот как, к примеру, менялась точность определения единицы длины: платино-иридиевый эталон можно было измерить с точностью до нескольких десятых микрона, а современное определение метра через длину световой волны, излучаемую атомами криптона, повысило точность измерения в сто раз.

Известный американский физик А. Майкельсон, прославившийся своими тонкими и точными экспериментами по определению скорости света, считал, что физики должны искать свои будущие открытия в шестом знаке после запятой.

МетрологияВсе возрастающие сложности физического эксперимента ставят новые требования к точности измерения, и прогресс человеческих знаний позволяет эти требования удовлетворять.

Химики начали измерять количественные соотношения между реагирующими веществами задолго до рождения метрологии.

Работы Дальтона привели к мысли, что атомы разных элементов имеют разный вес; сам он ввел единицу измерения в химии — атомный вес водорода, принятый за единицу, и рассчитал относительные веса еще девятнадцати элементов.

Впоследствии оказалось удобным выбрать в качестве эталона атомный вес кислорода, — элемента, являющегося своеобразным центром, вокруг которого вращается вся химия.

Однако долгое время среди химиков царили, по словам Д. И. Менделеева, «смута и сбивчивость», и только к середине XIX века был введен единообразный подход к измерению атомного веса.

Появление масс-спектрометров, открытие изотопов, и в частности изотопов кислорода (кроме ранее известного кислорода с атомным весом 16 единиц, которого в природе 99,759 процента, были найдены его изотопы — О 17 и О 18 ), лишь добавило неопределенность в измерение атомных весов.

Положение еще больше осложнилось, когда стало известно, что средние атомные веса многих элементов не являются мировыми постоянными, что они могут «меняться от одного образца к другому в зависимости от происхождения этого образца.

Различие в средних атомных весах — это следствие различного соотношения изотопов, как говорят, изотопного состава вещества. Детальное исследование изотопного состава лежит в основе геохронологии, позволяет устанавливать возраст геологических пород и археологических находок.

При возросшей точности измерений, когда стало ощутимо колебание средних атомных весов, «кислородная единица» больше не удовлетворяла химиков. Пришлось перейти к новому элементу — стабильному изотопу углерода — С 12 .

За годы, которые прошли после введения этого эталона, особых успехов химическая метрология не достигла. Никто не делал попыток накопить химически и изотопно-чистый углерод С 12 , который мог бы стать «химическим метром» — эталоном для измерения атомных весов.

Некоторые химики до сих пор не представляют себе, какую часть расхождений при определении ими среднего атомного веса нужно отнести за счет изменения изотопного состава, а какую — за счет собственных систематических ошибок измерения.

Такие же вопросы возникают при исследовании объектов, попадающих на Землю из космоса. Углеродная атомная единица оказывается несостоятельной еще и потому, что углерод не может быть элементом-базой с химической точки зрения: он дает соединения с относительно небольшим числом элементов.

«Король умер, да здравствует король» — так возвещали во Франции средневековые герольды. На роль нового химического «короля» претендует элемент йод. Йод легко получается в виде простого химического вещества, легко очищается и может храниться неограниченное время в ампулах.

Йод непосредственно соединяется со многими простыми веществами, образуя бинарные соединения. По-видимому, переход к «йодной единице» атомных весов даст возможность правильно построить систему химических мер.

Атомные веса — очень важная химическая величина, но далеко не единственная. К настоящему времени число химических параметров, собранных в справочниках, исчисляется сотнями тысяч, но нельзя сказать, что этот набор отличается полной достоверностью.

Задачу химической метрологии Д. И. Менделеев видел в том, чтобы «довести до высшей степени точности и совершенства методы измерений и измерить неизменные постоянные, входящие в соответствующие законы».

Эта задача осталась актуальной.